放線菌生物防治棉花黃萎病研究進展

穆凱熱姆·阿卜來提，來娜娜，王曉東（石河子大學(xué)綠洲農(nóng)作物病害防控重點實驗室，新疆　石河子　832000）

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放線菌生物防治棉花黃萎病研究進展

穆凱熱姆·阿卜來提，來娜娜，王曉東*
（石河子大學(xué)綠洲農(nóng)作物病害防控重點實驗室，新疆石河子832000）

摘要：基于國內(nèi)外拮抗微生物生物防治棉花黃萎病的研究，綜述了棉花黃萎病的危害癥狀及致病機理、棉花黃萎病生物防治研究現(xiàn)狀及拮抗放線菌在棉花黃萎病防治中的實踐應(yīng)用，并對放線菌的生防優(yōu)勢及作用機理等做了簡要論述。

關(guān)鍵詞：棉花黃萎病；生物防治；放線菌

棉花黃萎病是一種毀滅性的土傳維管束病害，由半知菌亞門叢梗孢目輪枝菌屬真菌（Verticillium dahliae Kleb）所引起［1］。最早由Carpenter在1914于美國弗吉尼亞州的陸地棉上發(fā)現(xiàn)，隨后在密西西比、阿肯色、得克薩斯、新墨西哥和加利福尼亞等州陸續(xù)報道了黃萎病的發(fā)生和危害情況［1］。我國棉花黃萎病自1935年由引進美國棉花品種傳入，后因分發(fā)給部分地區(qū)未經(jīng)消毒處理的種子而引起爆發(fā)，現(xiàn)已遍布我國各大棉區(qū)。進入20世紀90年代后，隨著棉花枯萎病的為害得以控制，黃萎病的發(fā)生為害已經(jīng)慢性地、嚴重地影響著棉花的單位產(chǎn)量。棉花黃萎病的微菌核能在土壤中存活多年，導(dǎo)致該病防治極為困難，尤其是“落葉型”棉花黃萎病在局部棉區(qū)發(fā)生后，對棉花生產(chǎn)更是存在著潛伏性的災(zāi)害。棉花黃萎病在學(xué)術(shù)界被稱為植物病害中的癌癥，長期以來人類與此病經(jīng)歷了艱苦的斗爭，目前針對此病防治主要采用選育抗病作物品種、農(nóng)業(yè)防治、化學(xué)防治和生物防治等方法相結(jié)合的綜合防治策略［2-3］，生物防治是目前研究的熱點，已報道應(yīng)用于棉花黃萎病拮抗微生物類群主要包括真菌、細菌、病毒和放線菌，其中放線菌是研究最早的生防微生物，也是農(nóng)業(yè)病害具有巨大生防潛質(zhì)的微生物資源。

放線菌（Actinomycetes）在自然界分布廣泛，種類龐雜，代謝功能各異，因氣生菌絲呈放射狀而得名，典型絲狀放線菌主要屬于鏈霉菌屬（Streptomyces）和小單孢菌屬（Micromonospora）兩類［4］。土壤放線菌資源豐富，為抗生素工業(yè)的建立和發(fā)展發(fā)揮了巨大作用，在已知的放線菌種有半數(shù)以上有拮抗活性，迄今為止已報道的具有生物活性的次級代謝物共有22 500余種，其中具有拮抗活性的16 500種，在這些拮抗物質(zhì)當中有10 100（45%）產(chǎn)自于放線菌，7630種源自于鏈霉菌，其余來自稀有放線菌［5］。因此，以放線菌為抗生菌，防治土傳病害的成功事例不勝枚舉，這給棉花黃萎病的防治帶來了新的曙光。

1　棉花黃萎病的危害癥狀及致病機理

1.1棉花黃萎病的危害癥狀

棉花黃萎病能在棉花整個生長期間侵染為害，自然環(huán)境下幼苗期不發(fā)病或很少發(fā)病，一般3～5片真葉期開始顯癥狀，現(xiàn)蕾期病株由下部葉片向上發(fā)展，病葉邊緣向上卷曲，葉脈間出現(xiàn)淡黃色失水萎蔫不規(guī)則的病斑，病斑逐漸擴大，呈褐色、“花西瓜皮”狀，后期整個葉片枯焦；病株縱剖莖稈可見維管束變淡褐色，發(fā)病嚴重的病株枝條和葉柄的維管束變色；結(jié)鈴期棉葉呈水燙樣，繼而突然萎垂，逐漸脫落成光稈，幾乎不結(jié)鈴；發(fā)病嚴重時病株死亡，造成嚴重減產(chǎn)［6］。

1.2棉花黃萎病的致病機理

研究指出，引起棉花黃萎病的病原菌有大麗輪枝菌（Vercitillium dahliae Kleb）和黑白輪枝菌（Vercitillium alboatrum Reinke & Berthold）2種［7］，且大麗輪枝菌是引起我國棉花黃萎病的主要病原菌［8］。大麗輪枝菌寄主范圍廣泛，病原菌具有遺傳多樣性，田間致病性易發(fā)生變異出現(xiàn)強致病力類型，是典型的土傳病害。關(guān)于黃萎病病原菌的致病機制，目前最有影響力的是堵塞學(xué)說和毒素學(xué)說。（1）堵塞作用。在土壤中越冬的棉花黃萎病病原菌直接侵染根系，定殖時會分泌包括纖維素酶和果膠酶在內(nèi)的多種細胞壁降解酶，這些酶能降解植物細胞壁，并產(chǎn)生大量的菌絲體，菌絲體可直接穿透皮層破壞植物體的保護屏障，進而穿破內(nèi)皮層到達木質(zhì)部［7］，隨后在里面產(chǎn)生大量的分生孢子，分生孢子又刺激鄰近的薄壁細胞產(chǎn)生膠狀物質(zhì)和其它物質(zhì)堵塞導(dǎo)管，阻斷水分和營養(yǎng)物質(zhì)的正常運輸，且自身可隨蒸騰作用侵染植物的上部，使植株出現(xiàn)萎蔫、褪綠等癥狀［9］。（2）致病毒素。大麗輪枝菌（V. dahliae）能分泌輪枝素，該毒素是引起棉花黃萎病的關(guān)鍵因子。毒素可破壞感病棉花品種的葉片和根組織細胞膜，改變細胞膜透性，使細胞內(nèi)鉀離子大量滲漏而減少，導(dǎo)致棉株萎蔫［10］。

2　放線菌在棉花黃萎病防治中的應(yīng)用

2.1放線菌的生防優(yōu)勢

放線菌是廣泛分布于土壤中的優(yōu)勢微生物類群，比較其他拮抗微生物而言，對土傳植物病害的防治有著先天性優(yōu)勢，其取自于土壤最終還原于土壤，具有良好的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性，并產(chǎn)生多種抗生素和具有菌劑保藏時間長及誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性等優(yōu)點［11］，這些使放線菌在實際生產(chǎn)應(yīng)用中更加簡便、經(jīng)濟。1989年芬蘭研究者Kenica推出放線菌殺菌劑Streptomyces griseovirdis，商品名Mycostop，是由灰綠鏈霉菌（S. griseovidis）的孢子和菌絲制成的，其分離自泥煤，該制劑主要防治土傳病原菌，如腐霉菌（Pythium spp.）、鐮刀菌（Fusarium spp.）、疫霉菌（Phytophthora spp.）和絲核菌（Rhizoctonia spp.）等，且防效穩(wěn)定［12］。自Wakksman和Umezwa發(fā)現(xiàn)放線菌用途的多樣性后，人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)放線菌可作為抗生素、維生素、酶和酶抑制劑的產(chǎn)生菌，因此放線菌已被認為是抗生素產(chǎn)生菌的主要來源。我國目前生產(chǎn)上應(yīng)用的抗生素主要有瀏陽霉素、赤霉素春雷霉素、井岡霉素、農(nóng)抗120、農(nóng)抗5102、武夷霉素、中生霉素等。據(jù)統(tǒng)計，已發(fā)現(xiàn)的大約4 000余種抗生素，有90%的抗生素是由放線菌產(chǎn)生的，且此類抗生素具有活性強、抑菌范圍廣的優(yōu)良特征［14］，因此，篩選和利用放線菌進行土傳病害方面的防治具有較好的應(yīng)用前景。

2.2放線菌生防機制

放線菌主要通過抗生作用、重寄生酶解作用、空間競爭和營養(yǎng)競爭、誘導(dǎo)抗性等方式影響植物病原菌的生長和繁殖。

拮抗微生物在寄主植物組織內(nèi)定殖后產(chǎn)生非酶類物質(zhì)和其他抑菌物質(zhì)［15］，這些物質(zhì)破壞病原菌的生存環(huán)境，直接導(dǎo)致病原菌的死亡或抑制生長；放線菌通過營養(yǎng)競爭，產(chǎn)生嗜鐵素，并利用土壤中的鐵離子（Fe3+），限定病原菌對鐵離子的需求，從而強烈抑制病原菌的生長［1］；放線菌對土壤或植物根際環(huán)境中生態(tài)位點的競爭，直接阻止病原菌對植物的侵染，并通過空間競爭和抗生作用降低病原菌的數(shù)量［16］；研究發(fā)現(xiàn)，放線菌可以分泌多種胞外水解酶，通過水解酶的作用，破壞病原真菌的細胞壁及細胞膜，能夠降低病原菌的致病力及其種群密度，直接抑制病原菌的正常生長［14］。

目前國內(nèi)外研究報道，Baharlouei等人［17］研究發(fā)現(xiàn)Streptomyces plicatus 101通過分泌胞外幾丁質(zhì)酶抑制有些病原真菌菌絲的生長。Khamna等人［18］研究表明，部分放線菌通過產(chǎn)生吲哚乙酸，有效促進植物生長。梁軍鋒等人［19］通過研究發(fā)現(xiàn)生防放線菌誘導(dǎo)辣椒葉片苯丙氨酸解氨酶與多酚氧化酶活性物質(zhì)的提高，抑制辣椒疫霉發(fā)生。許英?。?0］研究發(fā)現(xiàn)接種放線菌劑后可對草莓產(chǎn)生促生作用，并影響作物的多酚氧化活性，抑制草莓病害發(fā)生。段春梅等人［21］發(fā)現(xiàn)鏈霉菌Act12菌株接種處理黃瓜葉片PPO活性增加54.4%，誘導(dǎo)抗病性明顯提高。因此，放線菌還通過提高植物防御酶活性等方式，增強植物整體防御功能。

2.3放線菌在棉花黃萎病防治中的應(yīng)用

放線菌是人們研究最早并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的生防微生物，具有無毒、無殘留、無傷害、防病效果持效時間長等優(yōu)點［22］，且放線菌可直接作用于土傳病害，因此放線菌作為生防因子吸引了許多研究者。前蘇聯(lián)研究者在20世紀50年代就曾經(jīng)研究過放線菌對棉花枯、黃萎病的防治［23-24］。我國研究者在20世紀50年代分離篩選出對棉花黃萎病病原菌拮抗活性較強的放線菌菌株G4和5406（細黃鏈霉菌，Streptomyces microflavus），這2株菌對棉花黃萎病具有良好的防治效果和增產(chǎn)的作用［25-26］。劉大群［27］、孟慶芳［28］分離獲取1株鏈霉菌S23，其對不同棉花黃萎病菌菌株均表現(xiàn)抑菌作用，并在溫室和小區(qū)試驗中具有良好的防效。Thongchai等人［29］從36種不同植物組織內(nèi)分離了330株植物內(nèi)生放線菌，其中5株放線菌（Streptomyce ssp.）對棉花枯萎病有強烈抑制作用。薛磊等人［30］采用菌絲生長速率法、微菌核萌發(fā)法研究了B49、D148、Act12等菌株對大麗輪枝菌的抑菌機制，并篩選獲取1株鏈霉菌發(fā)酵液對病原菌菌絲生長、微菌核形成與萌發(fā)均具有較強的抑制作用，該菌株5倍稀釋發(fā)酵液對微菌核形成的抑制率達100%。張武崗等人［31］分離篩選出1株編號為19G - 317的黃色類群鏈霉菌（Streptomyce ssp.）菌株，經(jīng)研究表明該菌抑菌譜廣泛，其中發(fā)酵液和菌絲提取物對棉花黃萎病（Verticillium dahliae）的抑菌率分別為50%和90%左右。篩選和利用拮抗放線菌防治棉花黃萎病越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的青睞，也是目前研究的熱點。放線菌作為拮抗菌的一個重要來源，不僅具有種類多、數(shù)量大、抑菌機理多樣化等特點，而且可產(chǎn)生功能多樣性豐富的抗生素及多種次生代謝物質(zhì)，這些活性物質(zhì)在農(nóng)作物病蟲害的生物防治方面具有舉足輕重的作用，篩選生防放線菌對新疆地區(qū)微生物資源的開發(fā)利用具有重要的意義。

3　展望

放線菌是一類具有廣泛實際用途和巨大經(jīng)濟價值的微生物類群，在棉花黃萎病的防治過程中具有重要作用。根據(jù)利用拮抗放線菌防治棉花黃萎病的研究報道，目前大量具有生防潛力的拮抗放線菌被研究報道，但是大部分停留在研究開發(fā)階段，只有少數(shù)拮抗菌株作為生防制劑推廣利用。棉花黃萎病病原菌致病性容易變異、遺傳特性復(fù)雜、缺乏放線菌生防機制的了解等因素是生物防治研究進程中的主要障礙。因此，利用生物化學(xué)、遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等手段了解病原菌和拮抗放線菌的生防機制，確定理化性質(zhì)、生理生化和生防機制同時經(jīng)過物理、化學(xué)和分子生物學(xué)等方法改良拮抗放線菌的培育環(huán)境，并提高抗逆性、繁殖能力和對病原菌的抑菌活性，最終通過加強拮抗放線菌生產(chǎn)工藝、優(yōu)化發(fā)酵工程技術(shù)等來提高活性物質(zhì)產(chǎn)率，在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更重要的作用。

參考文獻

［1］薛磊.棉花黃萎病生防鏈霉菌的抗病促生作用及其機制研究［D］.陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012 .

［2］Oktay E，Kemal B. Biological control of Verticillium wilt on cotton by the use of fluorescent Pseudomonas spp. under field conditions［J］. Biological Control，2010，53（1）：39-45.

［3］Zheng Y.，Xue Q.-Y.，Xu L.-L. et al. A screening strategy of fungal biocontrol agents towards Verticillium wilt of cotton［J］. Biological Control，2011，56（3）：209-216.

［4］阮繼生，黃英.防線菌快速鑒定與系統(tǒng)分類［M］.北京：科學(xué)出版社，2011.

［5］Berdy J. Bioactive microbial metabolites. A personal view［J］. J Antibiot，2005，58（1）：24-26.

［6］白霜.棉花黃萎病生防菌篩選及其防病促生作用的研究［D］.陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

［7］王志斌，舜乾.新疆棉花枯萎病和黃萎病的發(fā)生特點和綜合防治［J］.植物醫(yī)生，2006，19（1）：7-9.

［8］石巖磊.我國棉花黃萎病研究進展［J］.棉花學(xué)報，1995，7 （4）：243-245.

［9］Garas N A，Wilhem S，Sagen J E. Relationship of clitivar resistance to distribution of Vertilillium dahliae in inoculated cotton Plants and to growth of single conidia onexcised stem segments［J］.Phytopathology，1986，76：1005-1011.

［10］蒲洋.棉花黃萎病拮抗細菌的篩選與HMB - 1005菌株發(fā)酵條件的優(yōu)化［D］.2006.

［11］梁亞萍，宗兆鋒，馬強，等.6株野生植物內(nèi)生放線菌防病促生作用的初步研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（7）：13-136.

［12］劉冰，宗兆鋒，王記俠，等.重寄生鏈霉菌F46與生防放線菌SC11融合菌株的篩選［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006，34（3）：93-97.

［13］魏海燕，蔡磊明，趙玉艷，等.我國微生物農(nóng)藥的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.干旱環(huán)境檢測，2008，22（4）：236-242.

［14］Ligon J M，Hill D S，Hammer P E，et al. Natural products with antifungal activity from Pseudomonas biocontrol bacteria［J］.Pest Man Sci，2000，56：688-695.

［15］阮繼生.放線菌分類基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1977：77-104.

［16］Willert A，Mcbride M，Kinkel L. Effects of antibiotic -producing Streptomyces spp. on nodulations and leaf spot in alfalfa［J］.Applied Soil Ecology，2003（22）：55-66.

［17］Baharlouei A，Sharifi -Sirchi G R，Shahidi B G H. Identification of an antifungal chitinase from a potential biocontrol agent，Streptomyces plicatus strain 101，and its new antagonistic spectrum of activity［J］.The Philippine Agricultural Scientist，2010，93（4）：439-445.

［18］Khamna S，Yokota A，Lumyong S. Actinomycetes isolated from medicinal plant rhizosphere soils：Diversity and screening of antifungal compounds，indole -3 -acetic acid and siderophore production［J］.World Journal of Microbiology & Biotechnology，2009，25（4）：649-655.

［19］梁軍鋒.辣椒疫病的防病促生效應(yīng)、作用機制及應(yīng)用研究［D］.陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2006.

［20］許英俊，薛泉宏，邢勝利，等.3株放線菌對草莓的促生作用及對PPO活性的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2008，17（1）：129-136.

［21］段春梅，薛泉宏，趙娟，等.放線菌劑對黃瓜幼苗生長及葉片PPO活性的影響［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2010，19（9）：48-54.

［22］田祖光.棉花黃萎病拮抗細菌12-13菌株的分離鑒定及抗菌蛋白純化［D］.保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［23］Kublanivskaia G M.Utilization of actinomycetes antagonists against Fusarium infection of cotton plant［J］. Mikro biologiia，1952，21（3）：340-347.

［24］Vitgeft，A E. Antagonistic effect of actinomycetes on the cotton wilt pathogen［J］.Antibiotiki，1960（5）：111-113.

［25］尹莘耘，陳吉棣.防治棉病中抗生菌的選擇、繁殖及其田間效果初報［J］.植物病理學(xué)報，1955，1（1）：101-114.

［26］尹莘耘，耿殿棨.棉花黃萎病生物防治試驗續(xù)報［J］.植物病理學(xué)報，1957，3（1）：55-61.

［27］劉大群，楊文香.拮抗鏈霉素菌Menmyco-93-63及其發(fā)酵液對棉花黃萎病菌生長的影響［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1999，22（4）：79-82.

［28］孟慶芳，劉大群.拮抗鏈霉菌S23發(fā)酵條件的研究［J］.中國生物防治，2002，18（2）：79-81.

［29］Taechowisan T，John F，Lumyong P S. Isolation of endophytic actinomycetes from selected plants andtheir antifungal activity［J］. World Journalof Microbiology Biotechnology，2003（19）：381-385.

［30］薛磊，王建濤，劉相春，等.拮抗性鏈霉菌對大麗輪枝菌微菌核形成與萌發(fā)的影響［J］.植物保護學(xué)報，2012，39（4）：289-296.

［31］張武崗，馮俊濤，張錦恬.放線菌19G - 317菌株發(fā)酵產(chǎn)物抑菌活性初步研究［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，37（4）：158-168.

收稿日期：2016—03—09

*通訊作者：王曉東（1975-），副教授，博士，主要研究方向為植物病害生物防治。Email: wxd_agr@shzu.edu.cn。